Uma grande máquina de contagem de elétrons produziu indiretamente uma medida da partícula mais escorregadia conhecida na física - e aumentou as evidências de matéria escura.
Essa medição é o primeiro resultado de um esforço internacional para medir a massa de neutrinos - partículas que preenchem nosso universo e determinam sua estrutura, mas que mal conseguimos detectar. Os neutrinos, de acordo com o experimento alemão Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), não têm mais que 0,0002% da massa de um elétron. Esse número é tão baixo que, mesmo que calculássemos todos os neutrinos do universo, eles não poderiam explicar sua massa perdida. E esse fato aumenta a pilha de evidências da existência da matéria escura.
O KATRIN é basicamente uma máquina muito grande para contar os elétrons de super alta energia que explodem em uma amostra de trítio - uma forma radioativa de hidrogênio. com um próton e dois nêutrons em cada átomo. O trítio é instável e seus nêutrons decaem em pares elétron-neutrinos. KATRIN procura os elétrons e não os neutrinos, porque os neutrinos são muito fracos para serem precisos. E a máquina usa gás trítio, de acordo com Hamish Robertson, cientista do KATRIN e professor emérito da Universidade de Washington, porque é a única fonte de elétron-neutrino simples o suficiente para obter uma boa medição de massa.
Os neutrinos são mais ou menos impossíveis de medir com precisão por conta própria, porque possuem muito pouca massa e tendem a pular para fora dos detectores sem interagir com eles. Então, para descobrir a massa dos neutrinos, Robertson disse à Live Science, KATRIN conta os elétrons mais energéticos e trabalha para trás a partir desse número para deduzir a massa do neutrino. Os primeiros resultados do KATRIN foram anunciados e os pesquisadores chegaram a uma conclusão precoce: os neutrinos têm uma massa não superior a 1,1 elétron-volts (eV).
Volts de elétron são as unidades de massa e energia usadas pelos físicos quando se fala em coisas menores do universo. (Na escala de partícula fundamental, energia e massa são medidas usando as mesmas unidades, e os pares neutrino-elétron devem ter níveis de energia combinados equivalentes ao seu nêutron fonte.) O bóson de Higgs, que empresta sua massa a outras partículas, possui uma massa de 125 bilhões de EV. Os prótons, as partículas no centro dos átomos, têm massas de cerca de 938 milhões eV. Os elétrons são meros 510.000 eV. Este experimento confirma que os neutrinos são incrivelmente pequenos.
O KATRIN é uma máquina muito grande, mas seus métodos são simples, disse Robertson. A primeira câmara do dispositivo é cheia de trítio gasoso, cujos nêutrons decaem naturalmente para elétrons e neutrinos. Os físicos já sabem quanta energia está envolvida quando um nêutron decai. Parte da energia é convertida na massa do neutrino e na massa do elétron. E o resto é despejado nessas partículas recém-criadas, ditando muito a velocidade com que elas vão. Geralmente, essa energia extra é distribuída de maneira uniforme entre o elétron e o neutrino. Mas, às vezes, a maior parte ou toda a energia restante é despejada em uma partícula ou outra.
Nesse caso, toda a energia restante após a formação do neutrino e do elétron é despejada no parceiro de elétrons, formando um elétron de energia super alta, disse Robertson. Isso significa que a massa do neutrino pode ser calculada: é a energia envolvida no decaimento de nêutrons menos a massa do elétron e o nível máximo de energia dos elétrons no experimento.
Os físicos que projetaram o experimento não tentaram medir os neutrinos; aqueles podem escapar da máquina intocados. Em vez disso, o experimento canaliza os elétrons para uma câmara de vácuo gigante, chamada espectrômetro. Uma corrente elétrica cria um campo magnético muito forte pelo qual apenas os elétrons de energia mais alta podem passar. No outro extremo dessa câmara, encontra-se um dispositivo que conta quantos elétrons passam pelo campo. À medida que o KATRIN aumenta lentamente a força do campo magnético, disse Robertson, o número de elétrons que atravessam diminui - quase como se fosse diminuir a zero. Mas no final desse espectro de níveis de energia eletrônica, algo acontece.
"O espectro morre repentinamente, antes de você chegar ao ponto final, porque a massa do neutrino não pode ser roubada pelo elétron. Ele sempre deve ser deixado para trás para os neutrinos", disse Robertson. A massa do neutrino deve ser menor do que a pequena quantidade de energia que falta no final do espectro. E após várias semanas de execução, os pesquisadores reduziram esse número para cerca da metade do número que os físicos sabiam anteriormente.
A ideia de que os neutrinos têm massa é revolucionária; o Modelo Padrão, a principal teoria da física que descreve o mundo subatômico, uma vez insistiu que os neutrinos não têm massa, observou Robertson. Já na década de 1980, pesquisadores russos e americanos estavam tentando medir massas de neutrinos, mas seus resultados eram problemáticos e imprecisos. A certa altura, os pesquisadores russos calcularam a massa do neutrino em precisamente 30 eV - um bom número que teria revelado neutrinos como o elo perdido que explicaria a grande estrutura gravitacional do universo, preenchendo toda a massa perdida - mas um isso acabou errado.
Robertson e seus colegas começaram a trabalhar com trítio gasoso na época, depois de perceberem que a substância fracamente radioativa oferecia a fonte mais precisa de decaimento de nêutrons disponível para a ciência.
"Esta foi uma longa pesquisa", disse Robertson. "A medição russa de 30 eV foi muito emocionante porque teria fechado o universo gravitacionalmente. E ainda é emocionante por esse motivo. Os neutrinos desempenham um grande papel na cosmologia e provavelmente moldaram a estrutura em larga escala do universo".
Todas essas partículas tênues que voam ao redor puxam tudo o mais com a sua gravidade, e tomam e emprestam energia de toda a outra matéria. Embora, à medida que o número de massa diminua, Robertson disse, o papel exato que essas pequenas partículas desempenham se torna mais complicado.
O número de 1,1 eV, disse o pesquisador, é interessante porque é o primeiro número de massa de neutrinos derivado experimentalmente que não é alto o suficiente para explicar por si só a estrutura do resto do universo.
"Há matéria que ainda não sabemos nada sobre ela. Existe essa matéria escura" e não pode ser feita com os neutrinos que conhecemos, disse ele.
Portanto, esse pequeno número de uma grande câmara de vácuo na Alemanha, no mínimo, aumenta a pilha de evidências de que o universo tem elementos que a física ainda não entende.
